使用 FPGA XILINX ALTERA INTEL 开发HDMI 之FRL模式

为响应消费市场对高品质音视频应用日益增长的需求，HDMI论坛发布了HDMI 2.1的最新规范。最惊艳的新功能就是加入了FRL（Fixed Rate Link）传输模式，可以说是颠覆了。过去HDMI接口传输信号的方式。在HDMI 2.1发布之前，信号传输采用 TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）架构，最大带宽为 18Gbps，可用于传输 3840x2160p 60 等 4K 高质量图像，而 FRL 的带宽模式提升到48Gbps，通过压缩的方式可以传输分辨率高达10K的图像。FRL 是如何实现如此高的带宽的？

图 1：HDMI 带宽演变

关于HDMI通道传输的操作，在传统的TMDS架构下，是通过一个独立的通道来传输Clock信号，而在FRL架构中，Clock是嵌入在Data信号中，然后通过后续的Clock Recovery。这样就可以分析时钟信号（如图2所示）。这样，可以多使用一个通道来传输图像信号，从而提高带宽。另一方面，在FRL架构下，引入了一种新的物理层传输方式，TMDS使用的8b/10b编码方式，FRL使用的16b/18b编码方式（图3），进一步提高了使用通道带宽速率，允许通道传输更高的分辨率和图像更新率，为消费者提供更好的音视频质量体验。

图2：HDMI信号通道示意图

图3：16b/18b码转换示意图

由于在 FRL 架构下，Link Training 用于确定当前用于传输信号的速率，因此 HDMI 2.1 FRL 模式定义了六种通道速率，供客户设计产品规格（见表 1）。其中，FRL模式仍保持3通道传输模式。由于支持 HDMI 2.1 FRL 的产品需要向后兼容 HDMI TMDS 模式，因此原有的 Clock 通道规格可以有更大的通道衰减。架构下也可以支持FRL模式，所以有3通道的设计。

表1：FRL速率与信道关系图

在 HDMI 2.1 FRL 模式下，每通道可支持高达 12Gbps。由于传输速率的提高，将面临信道上高速信号的更大衰减。为了改善信号的衰减，HDMI2.1引入了更多种类的均衡器应用（图4）。

图 4：HDMI 均衡器示意图

在发送端添加前馈均衡器（FFE）均衡器，由四种不同大小的 Deemphasis 和 Pre-shoot 值组成，如下图 5 所示，Tx 端在 Link Training 时会使用 0=TxFFE0 FFE . 如果需要传输更高速率的信号，Tx 会使用 Link Training 来确定更高的 FFE 补偿，以确保音视频数据能够完整传输到 sink。

图 5：HDMI 前馈均衡器模块

表 2：HDMI Feed Forward Equalizer模組

在接收端，使用了连续时间线性均衡器 (CTLE) 和判决反馈均衡器。不同数据速率的信号可以选择使用不同级别的CTLE，经过电缆损耗的信号可以在接收端得到更完整的恢复。

图 6：HDMI 连续时间线性均衡器模块

除了改变信号传输结构外，低速信号Display Data Channel（DDC）上传输的Extended Display Identification Data（EDID）和Status and Control Data Channel（SCDC）都开放写入原来的Reserve空间增加FRL模式的新功能公告，这些低速信号的通信在FRL的Link Training的过程中起到了极其重要的作用。

下面是一个简化的 Link Training 过程（下图 7）：

1.Source读取Sink的EDID，确认是否支持FRL模式，如果不支持FRL模式则返回TMDS模式

2. Sink 将通过在 SCDC Status Flags 中写入 FLT_Ready 来通知 Source 可以进行 Link Training。当 Source 发现设置了 FLT_Ready 的值时，可以设置要输出的 FRL Data Rate 和支持的通道数。确定相对 TxFFE 值

3. Sink 会要求 Source 输出对应的 Link Training Pattern。确认无误后，即可进入正式的FRL信号传输。

图 7：FRL 链接训练过程

除了增加通道带宽以实现高分辨率图像传输外，HDMI 2.1 还首次引入了显示流压缩 (DSC) 技术。DSC 只能用于 FRL 模式传输，以实现 10K 图像的传输。DSC的概念是划分或分段的。这样，图像被压缩后传输到 Sink 进行解码和恢复，可以使用较低的带宽传输高分辨率图像（如下图 8 所示）。

图 8：DSC 示意图

随着信道带宽的增加，对信号传输过程中的信道损耗提出了更严格的要求。用于传输信号的线材也升级为Ultra High Speed HDMI Cable ，为3类线材，最高可传输48G。带宽，相比之前的有线电子认证，增加了很多项目，比如ACR（Attenuation to Crosstalk Ratio）等。

HDMI 2.1 也对消费者体验进行了许多更新。与HDMI 1.4开发的音频回传通道 (ARC) 相比，HDMI 2.1增加了增强型音频回传通道 (eARC)，可以传输多达八种声音，以及 Dolby True HD、Atmos 等更高级别的声音格式等，让消费者在家中也能享受到影院同等水平的影音享受。

除了音视频传输的带宽升级外，HDMI2.1更新增加了一项提高画面精细度的技术。HDMI 2.0引入的静态高动态范围 (HDR)对整个图像使用相同的参数。HDMI 2.1 引入的动态 HDR 可以针对每个场景，甚至是画面的每一帧进行不同的处理，让图像更真实地呈现给观看者。

HDMI 2.1 还定义了一些 Gaming Mode 功能，包括可变刷新率 (VRR)、快速媒体切换 (QMS)、快速帧传输 (QFT) 和自动低延迟模式 Auto Low Latency Mode (ALLM)，总体概念是提高帧转换速度，减少视频和音频输出到屏幕的延迟，让用户减少游戏屏幕转换过程中的画面失真或画面破损。

简单对比一下HDMI 2.1的新品。在认证方面，HDMI 2.1 已经完全取代了 HDMI 2.0。不同的是HDMI 2.1分为FRL和TMDS两种模式。目前支持 FRL 的 Source、Sink 和 connector。所有这些都可以进行测试和认证。GRL 在相关测试和证据收集方面拥有丰富的经验。DSC、HDR、Gaming Mode等相关测试项目暂未公布。希望未来整体技术更加完善，促进HDMI影像产业的蓬勃发展。